声光调制实验讲义.docx

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声光调制实验讲义

声光调制实验讲义

前言

早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。

60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了良好的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。

声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。

利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。

声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。

近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q开关。

由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。

一.实验目的

1、了解声光器件工作原理。

2、掌握声光相互作用原理。

3、观察布拉格衍射现象。

4、研究声光调制和声光偏转的特性。

二.实验原理

（一）激光调制技术的发展

激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，与无线电波相似，可以用来作为传递信息的载波。

激光具有很高的频率（约1013~1015Hz）可供利用的频带很宽，故传递信息的容量大。

再有，光具有极短的波长和极快的传递速度，加上光波的独立传播特性，可以借助光学系统，把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上，为二维并行光学信息处理提供条件。

所以激光是传递信息（包括语言、文字、图象、符号等）的一种很理想的光源。

要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上的问题，例如激光电话，就需要将语言信息加在于激光，由激光“携带”信息通过一定的传输通道（大气、光纤等）送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息，从而完成通话的目的。

这种将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置成为调制器。

其中激光成为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。

激光光波的电场强度是ec=Accos（ωct+фc），式中，Ac为振幅，ωc为角频率，фc为相位角。

既然激光具有振幅、频率、相位、强度、偏振等参量，如果能够利用某种物理方法改变光波的某一参量，使其按调制信号的规律变化，那么激光就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。

实现激光调制的方法很多，根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制两种。

内调制是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。

例如，注入式半导体激光器是用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出的激光强度受到调制（这种方式也称为直接调制）。

还有一种内调制方式是在激光谐振腔内放置调制元件，用调制信号控制元件的物理特性的变化，以改变谐振腔的参数，从而改变激光器输出特性。

内调制主要用在光通信的注入式半导体光源中。

外调制是指激光形成之后，在激光器外的电路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。

由于外调制的调整方便，而且对激光器没有影响，同时外调制方式不受半导体器件工作速率的限制，故它比内调制的调制速率高（约高一个数量级），调制带宽要宽得多，所以在未来的高速率、大容量的光通信激光信息处理应用中，更受人们的重视。

激光调制技术为光通信、光信息处理等应用提供了很好的信息载波源，随着各种调制技术的发展，特别是近十几年来，国内外对空间光调制器的研究和发展，大大推动了光通信、实时光信息处理、光计算、光存储等应用技术的迅猛发展。

（二）声光调制的物理基础

1，弹光效应

若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。

这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。

弹光效应存在于一切物态。

弹光效应可以用于描述光电效应类似的方法描述，即表示为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2.1）

　　式中

表示介质的逆介电张量的增量，

为应变张量，

为弹光系数量。

（2.1）式中只考虑了弹光效应的线性项而忽略了高次项。

这是因为弹光效应的高次项较之线性项（

正常为

量级）为更小的量。

考虑到应变张量

和介质电张量的增量

皆为对称张量，（2.1）式可简化为

（m,n=1，2，…，6）（2.2）

　　于是可将（2.1）式写成如下矩阵形式

（2.3）

当介质存在应变力时，其折射率椭球方程为

（2.4）

弹光系数张量pij的36个分量的取值及各分量之间的关系和介质的结构对称性有关。

下面以铌酸锂（LiNbO3）为例。

铌酸锂晶体属于三方晶系，3m晶类。

其弹光系数矩阵为

=

（2.5）

假设有平行于x轴方向的单向张应变力作用于晶体，并设由此产生的应变量为s1。

在应力作用下，折射率椭球发生了变化。

根据三方晶系

的弹光系数矩阵可写出

　（2.6）

由此得出

（2.7）

则（2.4）式可变为

（2.8）

进一步来说，对于不同晶类中的不同晶体，由于它们的pij值各不相同。

因此在不同的应变条件下所产生的弹光效应的大小也不完全相同。

对铌酸锂晶体，波长λs=0.633μm，p11=－0.026，p12=0.090，p13=0.133，p14=－0.075，p33=0.071，p41=－0.151，p44=0.145。

代入（2.7）式便可求得各方向上的折射率。

2，声光栅

如上所述，当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的。

这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。

其光栅常数就是声波波长λs，这种光栅称为超声光栅。

声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。

特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。

当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。

到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。

由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。

当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。

如果遇见反声物质，超声波将被反声物质反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。

由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。

首先考虑行波的情况，设平面纵声波在介质中沿x方向传播，声波扰动介质中的质点位移可写成

（2.9）

μ0是质点振动的振幅，ωs是声波频率，ks是声波波矢量的模。

相应的应变场是

（2.10）

对各向同性介质，折射率分布为

（2.11）

声行波在某一瞬间是对介质的作用情况如图2.1所示。

图中密集区（黑）表示介质受到压缩，密度增大，相应的折射率也增大；稀疏区（白）表示介质密度变小，折射率减小。

介质折射率

增大或减小呈现交替变化，变化的周期是声波周期，同时又以声速

向前传播。

图2.1声行波形成的超声光栅

对于驻波的情况，考虑两个相向传播的同频声行波的叠加，质点位移可以写成

（2.12）

　　而介质折射率为

（2.13）

图2.2声驻波形成的超声光栅

因驻波效应（2.13）式中的

应是（2.11）式的2倍。

图2.1给出了声驻波情况下介质折射率的变化情况，其中在图中的曲线t+Ts/4和t+3Ts/4表示左、右行波。

从图中可见，声波在一个周期Ts之内，介质呈现两层疏密层结构，在波节处介质密度保持不变，因而在波腹处折射率每隔半个周期Ts/2就变化一次。

这样，作为超声光栅，它将交替出现和消失，其交替变化的频率为原驻波周期的二倍，即2ωs。

3，声光效应

声光效应是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。

由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应。

介质弹性形变导致介质密度交替变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。

当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化。

声光调制就是基于这种效应来实现其光调制及光偏转的。

下面我们由量子的角度来分析声光衍射效应。

由物质的波粒二象性原理可将频率为

，波矢为k的光束看作动量为ћk，能量为ћω的光子流，将声频为Ω，波矢为ks的声束看作动量为ћk，能量为ћΩ的声子流。

光在声波面中的衍射可看作光子和声子的碰撞，每一次碰撞中消失（或产生）一个入射光子和一个声子，同时产生一个衍射光子。

衍射光子的频率为ω±Ω，波矢方向为k＇。

根据碰撞前后能量守恒原理，应有

即

（2.14）

根据能量守恒，应有

或

（2.15）

（2.15）式表明衍射光频率要改变

，至于取“+”号或“－”号，则取决于k和ks的相对方向。

即在光子和声子的碰撞中消失的光子和声子所产生，其能量必然大于消失的光子，其频率ω'>ω，公式中取正号。

若碰撞中由一个入射光子的消失，同时产生一个声子和一个衍射光子则衍射光子的能量必然减小，其频率ω'>ω，公式取负号。

由动量守恒条件（2.14）式可导出布拉格方程。

由于光波频率ω远远高于声波频率Ω，可认为

所以由图2.3的波矢三角形直接导出

（2.16）

图2.3用动量守恒推导布拉格条件

4，声光衍射分类

根据声波频率的高低和声光作用的超声场长度的大小的不同，声光效应可以分为拉曼－奈斯声光（Ram-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射两种。

（1）区分拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射的定量标准：

从理论上说，拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射是在改变声光衍射参数时出现的两种极端情况。

影响出现两种衍射情况的主要参数是声波长

、光束入射角

及声光作用距离L。

为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数G来表征

（2.17）

当

小且λs大（G<<1）时，为拉曼－奈斯衍射；而当L大且λs小（G>>1）时，为布拉格衍射。

为了寻求一个实用标准，即当G参数大到一定值后，除0级和+1级外，其他各级衍射光的强度都很小，可以忽略不计。

达到这种情况时即认为已进入布拉格衍射区。

经过多年的实践，现已普遍采用下列定量标准：

（a）G≥4π时为布拉格衍射区

（b）G＜π时为拉曼－奈斯衍射区

为了便于应用，又引入量L0=λscosθi/λ≈λs2/λ，则G=2πL/L0。

因此，上面的定量标准可以写成：

（a）L≥2L0为布拉格衍射区

（b）L≤L0/2为拉曼－奈斯衍射区

　　式中，L0称为声光器件的特征长度。

引入了参数L0可使器件的设计十分简便。

由于λs=νs/ƒs和λ=λ0/n，故L0不仅与介质的性质（νs和n）有关，而且与工作条件（ƒs和λ0）有关。

事实上，L0反映了声光互作用的主要特征。

产生条件上的区别：

表2-1拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射产生条件上的区别

拉曼-奈斯衍射

布拉格衍射

声光作用长度较短

声光作用长度较长

超声波的频率较低

超声波的频率较高

光波垂直于声场传播的方向

光束与声波波面间以一定的角度斜入射

此时的声光晶体相当于一个“平面光栅”

此时的声光晶体相当于一个“立体光栅”

现象上的区别:

（1）拉曼-奈斯衍射

设声光介质中的声波是一个宽度为L沿着x方向传播的平面纵波（声柱），波长为λs（角频率ωs），波矢量ks指向x轴，入射光波矢量ki指向y轴方向，如图2.4所示。

图2.4拉曼-奈斯衍射

声波在介质引起的弹性应变场可表

为

根据

则有

或者

（2.18）

则

（2.19）

当把声行波近似视为不随时间变化的超声场时，可略去对时间的依赖关系，这样沿x方向的折射率分布可简化为

（2.20）

式中，n0为平均折射率；Δn为声致折射率变化。

由于介质折射率发生了周期性的变化，所以会对入射光波的相位进行调制。

如果考察的是一平面光波垂直入射的情况，它在声光介质的前表面y=-L/2处入射，入射光波为

（2.21）

则在y=L/2处出设的光波不再是单色平面波，而是一个被调制了的光波，其等相面是由函数n（x）决定的褶皱曲面，其光场可写成

（2.22）

该出射波阵面可分成若干个子波源，则在很远的P点处总的衍射光场强是所有的子波源贡献的求和，即由下列积分决定：

（2.23）

式中，l=sinθ表示衍射方向的正弦；q为入射光束宽度。

将ν=2π（Δn）L/λ=（Δn）kiL代入上式，并利用欧拉公式展开成下面形式：

（2.24）

利用关系式

式中，Jr（ν）是r阶贝塞尔函数。

将此式代入（2.24）式，经积分得到实部的表示式为

（2.25）

而（2.24）式的虚部的积分为零。

由上式可以看出，衍射光场强各项取极大值的条件为

（m=整数

0）（2.26）

当θ角和声波波矢ks确定后，其中某一项为极大值时，其他项的贡献几乎等于零，因而当m取不同值时，不同θ角方向的衍射光取极大值。

（2.26）式则确定了各级衍射的方位角

（m=

）（2.27）

式中，m表示衍射光的级次。

各级衍射光的强度为

（2.28）

综上分析，拉曼-奈斯声光衍射的结果，使光波在原场分成一组衍射光，它们分别对应于确定的衍射角θm（即传播方向）和衍射强度，其中衍射角由（2.27）式决定；而衍射光强由（2.28）式决定，因此这一组光是离散型的。

由于Jm2（ν）=J-m2（ν），故各级衍射光对称的分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。

这是拉曼-奈斯衍射的主要特征之一。

另外，由于

表示无吸收时衍射光各级极值光强之和等于入射光强，即光功率是守恒的。

（2）布拉格衍射

如果声波频率较高，且声光作用长度较大，此时的声扰动介质也不再等效于平面位相光栅，而形成了立体位相光栅。

这时，相对声波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介质内相互干涉，使高级衍射光相互抵消，只出现0级和

1级的衍射光，简言之，我们在屏上观察到的是0级光斑和+1级光非常亮或者0级光斑和-1级光很亮，而其它各级的光强却非常弱。

5，声光调制原理

（1）声光调制器的组成

声光调制其实由声光介质、电-声换能器、吸声（或反射）装置、耦合介质及驱动电源等所组成。

如图2.5所示：

图2.5声光调制器

（1）声光介质声光介质是声光互作用的场所。

当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的作用，其出射光就具有随时间变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。

（2）电-声换能器（又称超声发生器）它是利用某些压电晶体（石英、LiNbO3等）或压电半导体（CdS，ZnO等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波，所以它起着将电功率转换成声功率的作用。

（3）吸声（或反射）装置它放置在超声元的对面，用以吸收已通过介质的声波（工作于行波状态），以免返回介质产生干扰，但要使超声场工作在驻波状态，则需要将吸声装置换成声反射装置。

（4）驱动电源它用以产生调制电信号施加于电-声换能器的两端电极上，驱动声光调制器（换能器）工作。

（5）耦合介质为了能较小损耗地将超声能量传递到声光介质中去，换能器的声阻抗应该尽量接近介质的声阻抗，这样可以减小两者接触界面的反射损耗。

实际上，调制器都是在两者之间加一过渡层耦合介质，它起三个作用：

低损耗传能，粘结和电极的作用。

（2）声光调制器的工作原理

声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。

调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

由前面分析可知，无论是拉曼奈斯衍射，还是布拉格衍射，其衍射效率均与附加相位延迟因ν=2πΔnL/λ有关，而其中声致折射率差Δn正比于弹性应变幅值S，而S

声功率ps，故当声波长受到信号的调制是声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之作相应的变化。

布拉格声光调制特性曲线如下图所示：

图2.6调制特性曲线

由图可以看出：

衍射效率η与超声功率ps是非线性调制曲线形式，为了使调制不发生歧变，则需要超声偏置，使其工作在线性较好的区域。

对于拉曼－奈斯衍射，工作频率低于10MHz。

若取某一级衍射光作为输出，可利用光阑将其它级的衍射光遮挡，则从光阑孔出射的光束就是一个随v变化的调制光。

由于拉曼-奈斯型衍射效率低，光能利用率也低，声光相互作用长度L较短，当工作频率较高时，最大允许长度太小，要求的声功率很高，因此拉曼-奈斯型声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽。

而布拉格衍射效率高，调制带宽较宽，故多被采用。

6，布拉格声光调制

如果声波频率较高，且声光作用长度较大，此时的声扰动介质也不再等效于平面位相光栅，而形成了立体位相光栅。

这时，相对声波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介质内相互干涉，使高级衍射光相互抵消，只出现0级和

1级的衍射光，这就是布拉格声光衍射，如图2.6所示，这种衍射形式效率较高，有利于制成各种实用器件。

图2.6布拉格声光衍射

下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程。

为此，可把声波通过

的介质近似看作许多相距λs的部分反射、部分透射的镜面。

对于行波场，这些镜面将以速度νs沿x方向移动（因为ωm<<ωc所以在某一瞬间，超声场可近似看成是静止的，因而对衍射光的分布没影响）。

对驻波超声场则完全是不动的。

当平面波以θi入射至声波场，在B、C、E各点处部分反射，产生衍射光。

各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整数倍，或者说必须同相位。

图2.7表示在同一镜面上的衍射情况，入射光在B、C点的反射光同相位的条件必须使光程差AC-BD等于光波波长的整数倍，即

（2.29）

要使声波面上所有点同时满足这以条件，只有使

（2.30）

即入射角等于衍射角才能实现。

对于相距λs的两个不同的镜面上的衍射情况，由上下面反射的反射光具有同相位的条件，其光程差FE+EG必须等于光波波长的整数倍，即

（2.31）

考虑到

，所以

或

（2.32）

式中，θi=θd=θB，θB称为布拉格角。

可见，只有入射角等于布拉格角θB时，在声波面上的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得

到衍射极值，上式称为布拉格方程。

由于发生布拉格声光衍射时，声光相互作用长度较大，属于体光

栅情况。

理论分析表明，在声波场的作用下入射光和衍射光之间存在

如下关系

（2.33）

式中Ei和Ej分别为入射和衍射光场，这为我们描述两个光场的能量转换效率提供了方便。

定义：

在作用距离L处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率，即

（2.34）

由于

，

注意到

＝

。

因此，（2.28）式可写为

（2.35）

式中Δф是传播距离L后位相改变量。

引入有效弹光系数pe和有效应变Se，

（2.36）

其中有效应变Se同声波场强度Is的关系是

（2.37）

式中

是声速，

是介质密度。

于是（2.29）式写成

（2.38）

或

（2.39）

式中，

，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数（或声光优质指标），它是选择声光介质的主要指标之一。

从（2.32）式可见：

（a）若在超声功率Ps一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并且，把换能器做成长面较窄（即L大H小）的形式；（b）如果超声功率足够大，使

达到

时，＝100%（c）当

改变时，

也随之改变，因而通过控制Ps（即控制加在电声换能器上的电功率）就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。

7，声光调制系统的设计

声光调制系统设计的目的：

设计出一整套完整的实验系统，尽量减小其危险性，便于操作。

（1）.光源的选择

本实验系统采用的是半导体激光器650nm的红光，它具有激光的一切优点，例如相干性好，发散角小，便于在空间传输等优点。

除此之外，与He-Ne激光器相比，它精小简携，放置在四维调整架上，易于调整。

而且本实验系统的650nm红光是在0～2.5mW可调的，这样就便于对光路的调节且不伤眼睛。

（2）.声光晶体的选择

很多材料都可以做声光材料使用，例如熔石英、钼酸铅、超重火石玻璃等。

这样我们就需要根据实际应用的要求进行选择，以下简述一下对本实验系统应完成的布拉格衍射所需要的晶体的选择。

通常评价声光材料性能优劣的品质因数有三个：

①

：

表征材料的调制效率。

为调制效率，

，故

越大，所需声功率

则越小。

②

：

评价材料的布拉格带宽的品质因数。

显然当光波和声波波长变化时，都将引起布拉格角θB的变化，从而降低衍射效率。

对布拉格衍射，定义一级衍射光强下降到名义声波λs的衍射光强的一半时，声频变化量Δƒs为布拉格带宽：

，所以

。

引入一个新的物理量

，使

，

越大，由此材料制成的调制器调制带宽越宽。

③M3：

这是表征材料声速大小的一个品质因数。

当声光器件作声光偏转用时，要求材料的声速要小，因而引入M3=M1/Vs=n7p2/ρVs2。

综上所述，对声光材料的上述要求某些是矛盾的，必须视具体问题综合考虑各因数，以确定适当的声光材料。

对于布拉格衍射，我们需要M1，M2，M3均越大越好的声光材料，同时兼顾价钱等因素，我们的实验系统采取了钼酸铅晶体，它的各项品质因数为M1

，M2=23.7，M3=24.9。

（3）.三角形导轨的使用

三角形导轨采用马蹄形设计，容易中心定位，稳定性好，同时滑座可进行精确调节或锁紧。

因此，便于操作。

（4）.旋转平台的使用

将声光晶体固定在旋转平台上，平台上有水平调节螺栓和角度调节螺栓，利用水平调节螺栓可以任意调整声光晶体的位置，待声光晶体位置大致确定以后，锁紧水平调节螺栓，然后旋转角度调节螺栓（±5˚精确调节），就可以改变光强在各级光斑上的分布。

原有的旋转平台具有调节俯仰的功能，但是应用这样的旋转平台就会使声光晶体通光孔高度过高，导致整套系统比例失调，考虑到旋转平台的俯仰功能作用不大，所以现在采用的旋转平台去掉了这一部分，进而使得比例适当，稳定性好，易于调节。

（5）横向微调滑座的使用

为了可以方便的选择我们所需要的某级衍射光进行调制，设计并使用了可以横向微调的滑座，滑座上有精密刻度的横移调节机构（

），将小孔光阑和接收放大器分别放在两个横向微调滑座上，调整好高度，在这种情况下，只要微调横向螺杆，就可以对衍射光精确定位。

（6）.电源箱的设计与改进

为了方便实验，我们打算将LD线路板、超声波发生器以及CCD线阵线路板均放置在声光电压调制电源箱内，考虑各方面要求，对电源箱尺寸采用280×200×120（单位：

mm），为此设计了五种方案，其中有两种可行，我们采取了其中的一种，做了一台试验样机。

经过实验发现，CCD线阵线路板放置在声光调制电压箱内是行不通的，其它的部件对CCD线阵线路板干扰非常强烈，直接导致CCD根本无法工作。

为使CCD线阵正常工作，只好将CCD线阵仍作为一个独立的器件，于是又做了一台电源试验样机。

经过长时间的反复实验，我们发现电源箱基本可以正常工作，但在后期逐渐发现，由于高频超声波发声器的工作，在空间场对其它器件有干扰现象，问题究竟如何解决还需要长期的观察和实验，初步决定设计一种方案使得超声波发生器仍然能够放置在电源箱内，给超声波发生器特制一个屏